專利名稱：使用冷成形技術(shù)制造高碳鋼發(fā)動機(jī)部件的制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造高碳鋼發(fā)動機(jī)部件的方法，尤其涉及一種使用冷成形技術(shù)制造高碳鋼發(fā)動機(jī)部件的制造工藝。
背景技術(shù)：
已知有幾種坯料加工技術(shù)可用于制造鋼制發(fā)動機(jī)部件。這類技術(shù)的具體示例包括旋壓加工、熱成形和熱煅。旋壓加工包括使用多軸機(jī)床接收棒料，并機(jī)加工成初始形狀，或初始坯。然后，將初始坯進(jìn)一步機(jī)加工到規(guī)定的公差。雖然這種操作可以有效地生成初始坯，但材料的浪費較高。
熱成形包括在低于臨界溫度下加熱供應(yīng)絲材(supply wire)，以提高延展性。對于高碳鋼(碳含量在0.93～1.05％之間的鋼)，例如ASTM A295中規(guī)定的SAE 52100，臨界溫度為1330°F。一旦加熱，所述材料就形成所需的形狀，然而，熱成形技術(shù)是不利的，因為成形的零件不能滿足很多應(yīng)用場合對于精密公差的要求。尤其是，當(dāng)成形的零件冷卻時，發(fā)生變形，因此需要另外的機(jī)加工步驟，以獲得所需的形狀。
熱煅可以使用棒料、供應(yīng)絲材或鍛屑。初始材料以類似于熱成形的方式加熱，但是加熱到更高的溫度。尤其是，材料加熱到臨界溫度以上，熔點溫度以下。一旦加熱，就可將所述材料鍛造成所需的形狀。然而，當(dāng)成形的零件冷卻時，發(fā)生變形。而且，用于執(zhí)行鍛造操作的工具容易粗糙，且不精確，因此需要另外的機(jī)加工步驟，以獲得所需的形狀。
在形成成形的零件之后，對所述零件進(jìn)行熱處理。熱處理后，成形的零件經(jīng)歷多種磨削操作端磨、外緣磨、內(nèi)緣磨和外緣精加工。一旦所述零件完工，它就與匹配部件裝配在一起，然后進(jìn)行最后總裝。
除機(jī)加工、熱成形和熱煅外，已知可以采用冷成形技術(shù)生產(chǎn)復(fù)雜的零件，且加工到精密公差，或“接近最終形狀”。例如，已知可以采用鐓鍛、頂煅和擠壓等冷成形技術(shù)，用于加工高強(qiáng)度的螺母和螺栓。然而，已經(jīng)證明這種冷成形技術(shù)僅對使用低碳材料制造復(fù)雜零件有效，以避免加工過程中工具損壞和材料開裂。
然而，承受高接觸應(yīng)力的復(fù)雜零件，例如凸輪推桿滾柱，必須由高碳鋼(例如，52100級)制成。冷成形高碳鋼的前述方案已經(jīng)產(chǎn)生了多個問題。遇到的一個問題是由于供應(yīng)材料的加工硬化，造成接近最終形狀的部件容易開裂。遇到的另一個問題是增加了成形工具的磨損，在很多情況下會造成工具失效。
為了減輕冷成形高碳鋼的難度，已經(jīng)在冷成形前采取了具體的處理步驟處理高碳鋼。通常，高碳鋼絲材的處理包括多次拉拔操作，以得到所需的物理性能。因為在成形工藝中，為了保證充分填充模具，材料的體積非常關(guān)鍵，所以供應(yīng)鋼絲的處理包括兩步拉拔處理，其中第一步拉拔操作將主截面的面積減小25％或更多，第二步拉拔操作是更精確地控制尺寸的拉拔操作，其中面積減小5％或更小。
供應(yīng)絲材的標(biāo)準(zhǔn)處理過程的示例如下。首先，提供初始直徑為18mm的標(biāo)準(zhǔn)盤條。然后，對初始絲材退火。然后涂覆磷酸鋅涂層作為潤滑劑，并將絲材拉拔到15.5mm(減小25.8％)。然后將經(jīng)過拉拔的絲材再次退火。然后進(jìn)行脫皮操作，使直徑下降到14.7mm。然后使用鋼絲刷清理，并拉拔到14.5mm(減小2.7％)。然后對絲材進(jìn)行渦流檢查，以檢查缺陷，且在后續(xù)的處理過程中，在絲材上涂覆磷酸鋅涂層，作為潤滑劑。
盡管有些效果，但隨著處理絲材所需的操作數(shù)目增加，成本也隨之增加。因此，需要一種成本效率合算的制造高碳鋼發(fā)動機(jī)部件的方法(即，碳含量大于約0.65％)，且包括一種處理高碳鋼的方法，所述高碳鋼可以充分成形，而基本上限制對成形工具的損壞。而且，需要一種成本效率合算的制造高碳鋼發(fā)動機(jī)部件的方法，所述高碳鋼可以使材料從坯件的中心移動，而節(jié)約材料，降低成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種由高碳鋼(碳含量大于0.70％)生產(chǎn)精確的、硬化的基本發(fā)動機(jī)部件的冷成形制造工藝。為了避免現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，即有限的工具壽命以及最終制成零件的開裂，該工藝的第一步包括提供預(yù)處理的高碳鋼初始材料，所述材料已經(jīng)提高了可成形性，并降低了內(nèi)部材料應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明，對碳含量至少大于0.7％，甚至更高，可取的是大于0.9％的高碳鋼供應(yīng)絲材進(jìn)行處理。處理所述供應(yīng)絲材的第一步包括退火，增強(qiáng)其可成形性，然后用例如磷酸鋅作為潤滑劑涂覆供應(yīng)絲材。接著，將經(jīng)過退火的絲材拉拔到第一預(yù)定直徑，而使供應(yīng)絲材至少減小25％。在拉拔操作之后，使拉拔的絲材脫皮，直到第二預(yù)定直徑，以去除表面缺陷。然后使用鋼絲刷清理所述供應(yīng)絲材。
接著，使鋼絲刷清理的供應(yīng)絲材進(jìn)行第二次拉拔操作。第二次拉拔操作更精確地控制，使直徑減小小于5％。在拉拔之后，所述供應(yīng)絲材進(jìn)行渦流檢查，以檢查缺陷。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，經(jīng)過拉拔的供應(yīng)絲材再次退火，以增加冷成形過程中的可成形性。最后，經(jīng)過退火的供應(yīng)絲材上涂敷潤滑劑，比如磷酸鋅或有機(jī)材料。
一旦預(yù)處理，接著供應(yīng)絲材就冷成形為意味著零件基本上接近最終尺寸的“接近最終的形狀”。所述冷成形操作是通過頂鍛或擠壓實現(xiàn)的。由于使用了冷成形，供應(yīng)的材料被迫形成接近最終的形狀，因此使浪費最小，并減少或取消磨削操作。根據(jù)本發(fā)明，所述冷成形操作可以以多種操作和漸進(jìn)的步驟完成，以避免加工硬化，從而避免成形的零件和成形工具開裂和損壞。而且，因為零件加工成接近最終的形狀，所以不需另外的機(jī)加工，僅需最少量的磨削就能使零件的特定部分保持非常精密的公差，并提高表面光潔度。
附圖簡要說明在閱讀了下面的詳細(xì)描述、權(quán)利要求和附圖之后，本發(fā)明的特征和發(fā)明形態(tài)將變得更為明顯，下面是簡要說明

圖1是示出了用于冷成形操作的加工高碳鋼絲的方法的流程圖。
圖2是示出了用于冷成形操作的加工高碳鋼絲的另一方法的流程圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明用于制造凸輪推桿滾柱的加工操作。
圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明的加工操作的不同階段的凸輪推桿滾柱。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述本發(fā)明的方法用于生產(chǎn)各種精加工的高碳鋼零件，包括用于汽車應(yīng)用中的凸輪推桿滾柱，但不限于此。在用于制造凸輪滾柱的優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的方法包括提供由預(yù)定的高強(qiáng)度、高碳含量的鋼材制成的預(yù)加工絲材，該絲材具有較大的球狀碳化結(jié)構(gòu)形式的微觀結(jié)構(gòu)?？扇〉氖牵鲣摻z具有下述特性，表示為Z％(屈服處的斷面收縮率％)的極限屈服強(qiáng)度大于約63％，表示為Rm的極限拉伸強(qiáng)度大于約610Mpa，硬度讀數(shù)小于約200布氏硬度，從而提供沒有裂紋的發(fā)動機(jī)部件。
首先，可取的是提供已經(jīng)具體加工過的供應(yīng)絲材，從而具有受控的、預(yù)定的表面光潔度和表面加工方向。表面光潔度是很關(guān)鍵的，因為表面光潔度上小的不連續(xù)成為應(yīng)力集中部分，可能擴(kuò)展成裂紋。因此，表面越光滑，應(yīng)力集中部分越少，所以，開裂的可能性越小。表面加工的方向也很重要，因為零件上的高應(yīng)力通常沿一個方向。因此，如果表面加工不沿這一方向，則成形時零件會有很小的開裂傾向。
參照圖1的流程圖，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，為獲得預(yù)定的表面光潔度和表面加工方向，對高碳鋼制成的供應(yīng)盤條10進(jìn)行加工。提供高碳鋼(SAE 52100或等效品)制成的供應(yīng)盤條10，碳含量至少約0.65％?？扇〉氖牵己看笥?.90％，而使最終的零件可以承受高接觸應(yīng)力。
接著，供應(yīng)絲材10退火12，使供應(yīng)絲材10軟化，以便提高可成形性。然后，供應(yīng)絲材10涂敷14磷酸鋅或其他適當(dāng)?shù)臐櫥瑒櫥?yīng)絲材10。接著，潤滑的供應(yīng)絲材10拉拔16至預(yù)定的直徑，而減縮至少約25％。不像現(xiàn)有技術(shù)，經(jīng)過拉拔和減縮的供應(yīng)絲材10接著進(jìn)行脫皮18，直到第二預(yù)定直徑，然后外表面用鋼絲刷清理20，以使?jié)櫥瑒┩繉痈街诠?yīng)絲材10上。然后供應(yīng)絲材10再次拉拔22至第三預(yù)定直徑。拉拔過程22是比初始拉拔16更精確的拉拔，包括明顯小于拉拔過程16中的減縮量的直徑減縮。在優(yōu)選實施例中，拉拔過程22包括小于約5％的減縮量。然后，供應(yīng)絲材10可以進(jìn)行渦流檢查24。
根據(jù)本發(fā)明，在可選的渦流檢查24之后，供應(yīng)絲材10經(jīng)過第二次退火操作26。不像現(xiàn)有技術(shù)，在脫皮操作18之后，且就在使供應(yīng)絲材10冷成形為接近最終的形狀(下面更詳細(xì)地論述)之前進(jìn)行退火操作26。出乎意料，如同現(xiàn)有技術(shù)中那樣，決定在脫皮前取消退火操作，而不會影響脫皮操作18。而且，通過取消脫皮操作18之前的退火操作步驟，對供應(yīng)絲材10的處理步驟并沒有增加，成本也沒有增加。而且，決定在第二次拉拔22后插入第二退火操作26改善了供應(yīng)絲材10的可成形性，便于后續(xù)的加工，減少了開裂的問題，并且延長了工具壽命。在退火操作26后，在進(jìn)行零件成形工藝之前，供應(yīng)絲材10涂覆28磷酸鋅28或浸入肥皂液中，以潤滑供應(yīng)絲材10。
在一個優(yōu)選實施例中，根據(jù)本發(fā)明，為減少與使用低熔點材料相關(guān)的問題，使用無磷酸鋅的絲材潤滑涂層作為潤滑涂層。適當(dāng)?shù)耐繉影ɡ卧?、磷酸鈣、硫化鉬、Teflon或其他有機(jī)涂層。
當(dāng)使用有機(jī)潤滑劑時，例如肥皂，代替磷酸鋅時，連續(xù)模具的設(shè)計和整個成形工藝必須使所述外徑成形表面上的鋼材運動減小到最小。這樣保證當(dāng)從磷酸鋅潤滑劑切換為肥皂時，零件的靈敏模具的壽命不受影響。這種方案也可以避免如果相當(dāng)長的供應(yīng)絲材上缺少肥皂潤滑劑時，模具和毛坯之間有發(fā)生冷焊的危險。
根據(jù)本發(fā)明的預(yù)處理供應(yīng)絲材10的示例如下。供應(yīng)盤條10具有高于0.7％的碳含量，直徑為18mm。供應(yīng)絲材10退火，然后涂敷磷酸鋅或者其他適當(dāng)?shù)臐櫥瑒Ｈ缓?，供?yīng)絲材10拉拔到15.5mm的直徑(減小25.8％)，并脫皮到14.7mm的直徑。接著，用鋼絲刷清理供應(yīng)絲材，然后拉拔到14.5mm的直徑(減小2.7％)。進(jìn)行渦流檢查，然后供應(yīng)絲材10退火，以提高其可成形性，并在成形操作之前涂敷潤滑劑，比如磷酸鋅，或浸在肥皂中。
本文還公開了另一種用于冷成形操作的預(yù)處理高碳鋼供應(yīng)絲材的方法。參照圖2，提供了一種具有預(yù)定清潔度的供應(yīng)絲材30。供應(yīng)絲材30經(jīng)過退火32和脫皮34而達(dá)到第一預(yù)定直徑。接著，供應(yīng)絲材30經(jīng)過鋼絲刷清理36和拉拔38而達(dá)到第二預(yù)定直徑。根據(jù)本發(fā)明，然后供應(yīng)絲材30經(jīng)過渦流檢查40后進(jìn)行第二次退火操作42，以提高可成形性。最后，供應(yīng)絲材30使用磷酸鋅潤滑44或浸漬在肥皂中。
根據(jù)本發(fā)明的預(yù)處理供應(yīng)絲材30的示例如下。提供具有高于0.7％的碳含量，且直徑為16mm的供應(yīng)盤條30。供應(yīng)絲材30經(jīng)過退火32和脫皮34而達(dá)到15.2mm的直徑。經(jīng)過脫皮操作34后，供應(yīng)絲材30經(jīng)過鋼絲刷清理36和拉拔而達(dá)到14.5mm的直徑(減小9％)。最后，供應(yīng)絲材10經(jīng)過渦流檢查40，進(jìn)行第二次退火42，并使用磷酸鋅或其他適當(dāng)?shù)臐櫥瑒櫥?4。
根據(jù)本發(fā)明，一旦形成了預(yù)處理的供應(yīng)絲材10或30，就開始冷成形。與傳統(tǒng)機(jī)加工，比如旋壓成形相比，冷成形減少了材料的浪費。在優(yōu)選實施例中，預(yù)處理的絲材10或30使用擠壓、頂鍛或者其他適當(dāng)?shù)睦涑尚喂に囘M(jìn)行冷成形。
擠壓包括迫使絲材坯料10或30通過具有預(yù)定截面的?？?，而生成具有基本上均勻截面的一段長度。在?？變?nèi)設(shè)有一銷子。當(dāng)迫使供應(yīng)絲材10或30通過模具時，由于通過預(yù)處理步驟增強(qiáng)了供應(yīng)絲材10或30的可成形性，供應(yīng)絲材10或30在銷子上或周圍變形流動。這樣，所生成的坯料形成材料浪費最小的預(yù)定輪廓。
在頂鍛操作中，提供模具，且將供應(yīng)絲材10或30置于模具中，一端接觸一個或多個銷子。將銷子敲入模具中的供應(yīng)絲材10或30中，而使供應(yīng)絲材10或30在模具中在所述銷子周圍變形流動。根據(jù)本發(fā)明，使用冷成形制成的發(fā)動機(jī)部件是在多級工藝50中形成的，如圖3所示。所述多級工藝50可以使用一種或多種不同的冷成形技術(shù)。
通過預(yù)處理供應(yīng)絲材生產(chǎn)的冷成形加工的坯料將會產(chǎn)生無裂紋的表面和無裂紋的下層表面。當(dāng)應(yīng)用時或者進(jìn)行1,000小時或更長的發(fā)動機(jī)循環(huán)測試時，如發(fā)動機(jī)原始設(shè)備制造商所規(guī)定的，在所述冷成形坯料中需要上述特性，以避免可能在最終的發(fā)動機(jī)輥上發(fā)生的剝落、開裂或者任何其他缺陷。
在冷成形操作后，基于所采用的鋼材級別的公稱化學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過處理的坯料進(jìn)行預(yù)清洗，在預(yù)定的溫度下進(jìn)行熱處理和淬火，并保持預(yù)定的時間。熱處理和淬火操作消除了由冷成形操作引起的所有誘發(fā)應(yīng)力，從而可以保持很高的抗磨損和抗疲勞能力。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，因為本發(fā)明的方法可以形成接近最終形狀的零件，且不會使成形工具上或頂推供應(yīng)絲材的應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度，所以開裂問題最小化。因此，由于可以基本上減少/消除冷成形工藝的尺寸控制，比如端磨、外緣磨和內(nèi)緣磨的研磨操作。因此，本發(fā)明的方法減少了制造時間和花費，并且提高了毛坯的強(qiáng)度或工具壽命。
可以理解多種不同的發(fā)動機(jī)部件都可以使用上述工藝制成，圖3-5示出了根據(jù)本發(fā)明制造的凸輪推桿滾柱。根據(jù)本發(fā)明提供供應(yīng)絲材10或30。然后，在五步工藝中進(jìn)行冷成形50。首先，從供應(yīng)絲材10或30上切下料棒52。接著，在料棒52的端部54形成凹窩56。料棒52的拐角58的外徑圓角化59。內(nèi)徑60減小62。最后，減小的內(nèi)徑60被沖出64，形成了接近最終形狀的完成的凸輪推桿滾柱66。因為凸輪推桿滾柱66是逐漸形成的，避免了加工硬化，所以避免了凸輪推桿滾柱66和工具損壞和開裂。而且，因為凸輪推桿滾柱66成形為接近最終形狀，所以可以基本上減少/消除研磨操作，比如端磨，外緣磨和內(nèi)緣磨。
在冷成形操作后，根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于凸輪推桿滾柱66所采用的高碳鋼級別的公稱化學(xué)性質(zhì)，凸輪推桿滾柱66進(jìn)行預(yù)清洗、熱處理和淬火。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例已經(jīng)公開。然而，本行業(yè)的普通技術(shù)人員可以認(rèn)識到，某些改進(jìn)來自本發(fā)明的啟示。因此，應(yīng)研究下述權(quán)利要求，以確定本發(fā)明的真實范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種制造高碳鋼發(fā)動機(jī)部件的方法，包括步驟提供預(yù)處理的高碳鋼供應(yīng)絲材，按重量百分比計，所述絲材具有大于約0.65％的碳含量；將所述絲材冷成形為接近最終形狀的零件，基于所述供應(yīng)絲材的基本化學(xué)性質(zhì)，所述零件在預(yù)定的溫度下進(jìn)行熱處理，并保持預(yù)定的時間；根據(jù)所述絲材的基礎(chǔ)化學(xué)成分，在預(yù)定的溫度下淬火，并保持預(yù)定的時間。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述預(yù)處理的供應(yīng)鋼絲依據(jù)下述方法進(jìn)行處理提供碳含量超過約0.70％的供應(yīng)絲材，使所述供應(yīng)絲材退火；使用第一潤滑涂層涂敷所述供應(yīng)盤條；使經(jīng)過潤滑的所述盤條進(jìn)行第一次拉拔操作，其中將所述盤條拉拔到第一預(yù)定直徑；使所述經(jīng)過拉拔的供應(yīng)盤條脫皮到第二預(yù)定直徑；使用鋼絲刷清理所述供應(yīng)盤條；使所述供應(yīng)盤條進(jìn)行第二次拉拔操作，其中所述供應(yīng)盤條拉拔到第三預(yù)定直徑；對所述經(jīng)過拉拔的供應(yīng)盤條退火，以在所述冷成形步驟之前增加所述經(jīng)過拉拔的盤條的可成形性；用第二潤滑涂層涂敷所述經(jīng)過退火和拉拔的供應(yīng)盤條。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述第一潤滑涂層是磷酸鋅。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述第一拉拔操作使所述供應(yīng)盤條的直徑減小至少約25％。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述第二拉拔操作使所述供應(yīng)盤條的直徑減小小于約5％。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述第二潤滑涂層是磷酸鋅。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述第二潤滑涂層是無磷酸鋅。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述無磷酸鋅潤滑劑是有機(jī)涂層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述無磷酸鋅潤滑劑是拉拔皂、磷酸鈣、硫化鉬和Teflon。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述供應(yīng)鋼絲具有按重量計大于0.90％的碳含量。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述冷成形操作是通過頂鍛和擠制之一完成的。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述冷成形操作是以逐漸的方式分多步實現(xiàn)的，以使所形成的部件的加工硬化和開裂損壞最小。
13.一種對用于冷成形操作的高碳鋼供應(yīng)絲材預(yù)加工的方法，包含提供碳含量大于約0.90％的供應(yīng)盤條；使所述供應(yīng)盤條退火；利用磷酸鋅潤滑涂層涂敷所述供應(yīng)盤條；使所述潤滑的供應(yīng)盤條經(jīng)過第一次拉拔操作，其中所述供應(yīng)盤條拉拔成第一預(yù)定直徑；將所述經(jīng)過拉拔的供應(yīng)盤條脫皮至第二預(yù)定直徑；用鋼絲刷清理所述經(jīng)過拉拔的供應(yīng)盤條；使所述供應(yīng)盤條經(jīng)過第二次拉拔操作，其中所述供應(yīng)盤條拉拔到第三預(yù)定直徑；使所述經(jīng)過拉拔的供應(yīng)盤條退火，以增加所述拉拔的供應(yīng)盤條的可成形性；用第二潤滑涂層涂敷所述退火和拉拔的供應(yīng)盤條。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述第二潤滑涂層是磷酸鋅。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于所述第二潤滑涂層是拉拔皂、磷酸鈣、硫化鉬和Teflon之一。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于還包括在所述第二拉拔操作之后，檢查所述供應(yīng)絲材的缺陷和不足。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于所述供應(yīng)絲材是通過進(jìn)行渦流檢查而檢查的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制作高碳鋼發(fā)動機(jī)部件的方法。該方法包括對具有球狀碳化物微觀結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度機(jī)械性能的高強(qiáng)度鋼制成的供應(yīng)絲材預(yù)加工，在所述供應(yīng)絲材的表面上涂敷潤滑劑，使坯料冷成形，從而基本上減少或消除了對任何額外的表面研磨操作的需要。
文檔編號B21K21/08GK1494597SQ02805561
公開日2004年5月5日 申請日期2002年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月26日
發(fā)明者雷蒙德·C·哈策爾, 杰弗里·A·巴克, 斯坦利·馬爾海夫卡, A 巴克, 馬爾海夫卡, 雷蒙德 C 哈策爾 申請人:超精密產(chǎn)品公司